仿生磁驅(qū)人工纖毛平臺(tái)：模擬呼吸道粘液清除機(jī)制
作者：裘巖、胡國(guó)慶
呼吸道纖毛是人體抵御外界侵害的第一道防線(xiàn)。它們通過(guò)協(xié)同擺動(dòng)，高效清除呼吸道內(nèi)的粘液、異物和病原體，維持呼吸系統(tǒng)的健康。纖毛的擺動(dòng)模式非常精妙，其不對(duì)稱(chēng)的“有效沖程（effective stroke）”和“恢復(fù)沖程（recovery stroke）”能夠定向推進(jìn)粘液。更有趣的是，相鄰纖毛之間并非同步擺動(dòng)，而是呈現(xiàn)出微妙的相位差，形成“異時(shí)波（metachronal wave）”——一種節(jié)律性的波動(dòng)協(xié)調(diào)模式，顯著增強(qiáng)了粘液傳輸?shù)男省Ｉ钊肜斫膺@些復(fù)雜的生物物理機(jī)制，對(duì)于我們更好地認(rèn)識(shí)慢性阻塞性肺病（COPD）等嚴(yán)重呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病機(jī)理，以及開(kāi)發(fā)更有效的肺部藥物遞送策略至關(guān)重要。
圖1：微流控芯片再現(xiàn)的纖毛-粘液清除系統(tǒng)和纖毛的擺動(dòng)模型。
圖2：磁性人造纖毛和永磁體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。
近日，胡國(guó)慶和邊鑫研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型微流控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，成功地在體外模擬了人類(lèi)呼吸道中纖毛-粘液-空氣界面的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為。該平臺(tái)以其簡(jiǎn)潔高效的磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和微流控芯片為核心，為研究纖毛運(yùn)動(dòng)與流體傳輸機(jī)制提供了全新的視角。該成果以“Design of a magnetically responsive artificial cilia array platform for microsphere transport”為題，發(fā)表于英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)期刊 Lab on a Chip （2025, 25, 330-342），并被選為封底圖片。
圖3：流體中不同大小的微球受到纖毛陣列驅(qū)動(dòng)的遷移效果。
該研究的創(chuàng)新之處在于構(gòu)建了一個(gè)三層結(jié)構(gòu)的微流控芯片：底層為可磁驅(qū)動(dòng)的人工纖毛陣列，中間層為模擬呼吸道粘液的流體層，頂層為空氣界面，完美再現(xiàn)了呼吸道的微觀環(huán)境。研究人員利用直徑12 μm、長(zhǎng)度60 μm的磁性人造纖毛，通過(guò)精巧的磁場(chǎng)控制，實(shí)現(xiàn)了多種動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模式，包括同步擺動(dòng)和異時(shí)波，進(jìn)而研究不同擺動(dòng)模式下的流體輸運(yùn)效率。磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心是可調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的永久磁鐵，通過(guò)調(diào)控磁場(chǎng)的強(qiáng)度、方向和非對(duì)稱(chēng)性，可以靈活地控制纖毛的擺動(dòng)模式。研究團(tuán)隊(duì)還利用高速攝像機(jī)記錄纖毛的動(dòng)態(tài)軌跡，量化微球在流體中的位移和清除效果，并結(jié)合平滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（SPH）數(shù)值模擬，深入分析了纖毛運(yùn)動(dòng)與流體、微球之間的相互作用機(jī)制。
圖4：不同流體中的微球清除效率。
研究結(jié)果顯示，異時(shí)波模式下纖毛的擺動(dòng)能夠顯著提升微球的凈位移，其輸運(yùn)效率遠(yuǎn)高于同步擺動(dòng)模式。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，較小直徑的微球更容易受到流體驅(qū)動(dòng)，而較大直徑的微球運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較慢。纖毛的擺動(dòng)頻率、陣列密度和流體粘度是影響輸運(yùn)效果的關(guān)鍵因素。更高的擺動(dòng)頻率和高密度的纖毛陣列能夠加速微球的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)更高效的輸運(yùn)過(guò)程。表面清潔實(shí)驗(yàn)表明，高粘度流體會(huì)限制纖毛的擺動(dòng)幅度，從而降低清潔效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果高度吻合，充分驗(yàn)證了該平臺(tái)在纖毛動(dòng)態(tài)行為研究中的適用性和可靠性。
這項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)的微流控平臺(tái)，為研究纖毛驅(qū)動(dòng)的流體輸運(yùn)和顆粒清除提供了一種靈活而可靠的工具。該研究不僅拓展了對(duì)纖毛動(dòng)態(tài)行為的認(rèn)識(shí)，還為呼吸道疾病研究、藥物遞送和表面清潔等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃優(yōu)化纖毛的幾何設(shè)計(jì)與材料性能，并結(jié)合更復(fù)雜的流體與化學(xué)環(huán)境，進(jìn)一步提升模型的仿真精度與實(shí)用性。
圖5：封底圖片。